泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研究進(jìn)展*

徐　竹

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710089)

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泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的研究進(jìn)展*

徐竹

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710089)

泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是由面板(蒙皮)與輕質(zhì)泡沫芯材組成的層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。該文從泡沫夾層結(jié)構(gòu)的芯材種類、泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的力學(xué)性能、電性能等方面綜述了泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料近年來的研究現(xiàn)狀。

泡沫夾層結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料，泡沫芯材，力學(xué)性能

夾層結(jié)構(gòu)是由高強(qiáng)度面板和輕質(zhì)芯材料所構(gòu)成的一種結(jié)構(gòu)形式。泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料板材做蒙皮，泡沫塑料做夾芯材料的一種夾層結(jié)構(gòu)。泡沫塑料夾層結(jié)構(gòu)最大特點(diǎn)是質(zhì)量輕、剛度大，保溫、隔熱性能好，同時又能通過選擇合適的面板、芯材和粘接劑來滿足特定條件下的使用要求。因此在運(yùn)載火箭、航空、船舶、列車機(jī)車、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用，尤其適用于剛度要求高，受力不大和保溫隔熱性能要求高的部件，如飛機(jī)尾翼、保溫通風(fēng)管道等。

1　泡沫夾層結(jié)構(gòu)芯材的種類

泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中常用的泡沫芯材有聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PUR)、聚醚酰亞胺(PEI)及聚甲基丙烯酰亞胺(PMI)等，其中占市場份額最大的是PVC泡沫芯材。在密度相同的條件下，PMI是強(qiáng)度和剛度最高的泡沫材料。

1.1PVC泡沫

PVC分為未交聯(lián)PVC和交聯(lián)PVC泡沫兩種。交聯(lián)PVC的強(qiáng)度和剛度比未交聯(lián)PVC的高，但是韌性較差。黃自尚[1]將熱可逆交聯(lián)技術(shù)引入聚氯乙烯泡沫材料制備，研究了綠色發(fā)泡方法獲得可熱塑反復(fù)加工的高性能PVC泡沫材料。交聯(lián)PVC泡沫通常用于船底、舷部、甲板、艙壁及上層建筑中。王雁國等[2]以聚氯乙烯(PVC)為基體，馬來酸酐為接枝劑，異氰酸酯、三聚氰胺為交聯(lián)劑，制備出泡孔直徑分布較為均勻、性能優(yōu)異的硬質(zhì)交聯(lián)PVC泡沫塑料；該硬質(zhì)交聯(lián)PVC泡沫塑料的力學(xué)性能具備同瑞士Airex C70產(chǎn)品相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能。線形PVC泡沫是一類具有高韌性、良好抗沖擊性能、能量吸收性能和耐疲勞性能的泡沫材料，這種泡沫通常用于船體受沖擊荷載比較大的部位，例如船底和舭舷部。

1.2PMI泡沫塑料

隨著航天航空等特殊領(lǐng)域的快速發(fā)展，要求芯層材料具有更高的強(qiáng)度、剛度和耐熱性。聚甲基丙烯酰亞胺泡沫塑料具有很好的壓縮蠕變性能[3]，可以在120℃～180℃、0～0.5MPa的壓強(qiáng)下在熱壓罐中固化，能滿足預(yù)浸料固化工藝對泡沫尺寸穩(wěn)定性的要求，適用共固化的夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)件中。PMI泡沫采用固體發(fā)泡工藝制作，為孔隙基本一致、均勻的100%閉孔泡沫。目前對于PMI泡沫的研究多數(shù)是針對德國贏創(chuàng)德固賽公司的ROHACELL 的PMI泡沫性能及應(yīng)用的研究，國內(nèi)近年來也開始研究聚甲基丙烯酰亞胺泡沫塑料的制備方法及性能研究[4-5]。PMI正是具有高強(qiáng)度重量比和較高的耐壓縮蠕變性能，而且能夠采用制造成本最低的一步共固化工藝完成，大幅度降低制造成本。廣泛應(yīng)用于高速火車的車頭、高速船、直升機(jī)結(jié)構(gòu)、運(yùn)載火箭的主要結(jié)構(gòu)等。

2　泡沫夾層結(jié)構(gòu)的性能研究

2.1泡沫夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究

夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能取決于表層和芯部材料的力學(xué)性能及幾何尺寸，其內(nèi)容重要主要涉及夾層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。強(qiáng)度包括復(fù)合材料的拉、壓性能，剪切強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度和沖擊時的力學(xué)行為等。剛度是指夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的拉、壓、剪切模量。

王娜等[6]結(jié)合船用泡沫玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)的適用理論和有限元分析方法，對泡沫玻璃鋼夾層板的彎曲強(qiáng)度進(jìn)行分析。張富賓等[7-8]研究了泡沫夾芯復(fù)合材料面板厚度、芯材密度對復(fù)合材料夾層梁彎曲力學(xué)性能的影響，通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究顯示隨著上面板厚度增大，夾層梁破壞模式由芯材壓陷破壞變?yōu)樾静募羟衅茐模粖A層梁極限承載力隨著上面板厚度的增大而增大。同時通過對比五種不同密度泡沫芯材復(fù)合材料夾層梁進(jìn)行三點(diǎn)彎試驗(yàn)研究，結(jié)果夾層梁極限承載力隨芯材密度的增大而增大；芯材密度的增加，夾層梁破壞模式由芯材壓陷變?yōu)槊姘迨軌呵茐摹?/p>

近年來國內(nèi)外學(xué)者對Z向增強(qiáng)泡沫夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。Z向增強(qiáng)泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料性能遠(yuǎn)高于普通夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，并優(yōu)于相同密度的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)重量低于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，其效益成本很高，是一種理想的航空用夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。X-cor泡沫夾層結(jié)構(gòu)是采用Z-pinning技術(shù)增強(qiáng)的新型夾層結(jié)構(gòu)[9]，很大程度上彌補(bǔ)了空白泡沫夾層結(jié)構(gòu)的不足。單杭英等[10]通過剪切性能考察了Z-pin 對泡沫夾層結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)效果，對比X-cor夾層結(jié)構(gòu)與相同材料同尺寸的未增強(qiáng)件和去除泡沫的夾層結(jié)構(gòu)，分析研究了剪切剛度和剪切強(qiáng)度試驗(yàn)值和理論值的對比情況。K-cor 增強(qiáng)泡沫夾層結(jié)構(gòu)是采用 Z-pin 技術(shù)對傳統(tǒng)泡沫夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行縱向增強(qiáng)的一種新型復(fù)合材料，具有比蜂窩夾層結(jié)構(gòu)及傳統(tǒng) X-cor 夾層結(jié)構(gòu)更優(yōu)越的性能。 鄭瑩瑩[11]研究了環(huán)氧K-cor夾層結(jié)構(gòu)中不完全固化Z-pin 的拉擠成型工藝及其壓彎工藝；采用滾筒剝離測試顯示K-cor增強(qiáng)泡沫夾層結(jié)構(gòu)滾筒剝離強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 X-cor 增強(qiáng)泡沫夾層結(jié)構(gòu)及空白泡沫夾層結(jié)構(gòu)。

采用縫合工藝能提高泡沫夾層結(jié)構(gòu)的面外性能和層間性能，楊慧等[12-13]研究了縫合復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和層間剪切性能。通過壓縮穩(wěn)定性試驗(yàn)研究了未縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)和不同縫合密度的縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，結(jié)果表明縫合會降低泡沫夾層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，縫合密度增加時，泡沫夾層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性性能降低。通過層間剪切試驗(yàn)研究不同縫合密度下單向帶面板和織物面板復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的層間剪切強(qiáng)度及其變化規(guī)律，縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)最大剪切載荷和層間剪切強(qiáng)度均優(yōu)于未縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)的，且層間剪切性能隨著縫合密度的增加而增加。賴家美等[14]采用改進(jìn)鎖式縫合方法，真空輔助樹脂傳遞模(VARTM)工藝制備縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，對其進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲測試，在縫合密度較大和纖維層較多的情況下，彎曲性能優(yōu)異。實(shí)驗(yàn)表明采用縫合泡沫夾層結(jié)構(gòu)可以提高復(fù)合材料的彎曲性能。格構(gòu)腹板增強(qiáng)型泡沫夾層結(jié)構(gòu)也能提高泡沫夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。格構(gòu)腹板增強(qiáng)型泡沫夾層結(jié)構(gòu)是將塊狀芯材按規(guī)則排布，以適當(dāng)方式在塊狀芯材之間填放玻纖布，通過導(dǎo)入樹脂固化后形成格構(gòu)腹板結(jié)構(gòu)。腹板能夠顯著增強(qiáng)了芯材的抗剪性能，提高了結(jié)構(gòu)的剛度、面板與芯材的抗剝離能力，以及結(jié)構(gòu)的整體承載能力。洪俊青[15]等研究了格構(gòu)腹板增強(qiáng)型泡沫復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)腹板平面內(nèi)屈曲分析，研究了在平面內(nèi)荷載作用下，腹板間距、腹板高度、泡沫芯材彈性模量等因素對格構(gòu)腹板增強(qiáng)型泡沫夾層結(jié)構(gòu)腹板屈曲性能的影響。黃翔等[16]基于有限元分析軟件建立了考慮斜坡過渡區(qū)面板鋪層遞減的泡沫夾層結(jié)構(gòu)的有限元模型，研究了泡沫夾層結(jié)構(gòu)在單軸壓縮載荷作用下的力學(xué)行為，泡沫夾層結(jié)構(gòu)坡度角在25°～30°時能夠達(dá)到提高結(jié)構(gòu)承載能力及減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的雙重目的。

在工程應(yīng)用中，復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)很容易遭受各種外來物體的沖擊，尤其是低速沖擊。低速沖擊引起的沖擊損傷將引起復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)剛度及強(qiáng)度的急劇下降，從而對復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生威脅。王杰[17]以碳纖維平紋織物層壓板為面板，以 PUR 泡沫為夾芯的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)的低速沖擊及沖擊后壓縮性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。

萬玉敏等[18]采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂預(yù)浸料鋪層作為泡沫夾層復(fù)合材料的面板，PMI泡沫作為芯材制得泡沫夾層復(fù)合材料，對比同樣材料的復(fù)合材料層合板，泡沫夾層復(fù)合材料的抗沖擊能力明顯優(yōu)于復(fù)合材料層合板。李默[19]研究了不同鋪設(shè)角度面板/泡沫夾芯復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)侵徹和低速沖擊性質(zhì)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，為泡沫夾芯復(fù)合材料應(yīng)用于T型梁、殼和平板等工程結(jié)構(gòu)的防沖擊提供了理論參考。馮維超等[20]針對泡沫夾層結(jié)構(gòu)箱蓋受燃?xì)饬鳑_擊的破壞形式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析建立了三維漸進(jìn)損傷模型，揭示了在沖擊條件下層合板、泡沫和膠層的損傷破壞形式。

2.2泡沫夾層結(jié)構(gòu)其他性能的研究

PMI泡沫復(fù)合材料具有眾多優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于航天航空、軍工、船舶、汽車及高速列車等各個領(lǐng)域。PMI泡沫塑料是一種輕質(zhì)硬質(zhì)泡沫塑料，具有100%的閉孔結(jié)構(gòu)，比交聯(lián)聚氯乙烯(XPVC) 、聚氨酯(PUR) 等硬質(zhì)泡沫塑料具有更高的強(qiáng)度、模量和抗蠕變性能，是目前耐熱性最好的剛性結(jié)構(gòu)泡沫塑料之一。PMI泡沫塑料又是一種低介電材料，張樂等[21]研究了PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)中PMI泡沫塑料的密度和厚度對夾層結(jié)構(gòu)的高頻介電性能的影響。

PMI泡沫夾層復(fù)合材料具有優(yōu)異的寬頻透波性能，被廣泛用于制備透波雷達(dá)天線罩。單忠偉等[22]從復(fù)合材料結(jié)構(gòu)原理出發(fā)，選擇石英纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料為蒙皮，PMI 泡沫為芯材的夾層結(jié)構(gòu)方案，采用三維全波電磁場仿真軟件比較了不同蒙皮厚度和芯材厚度對夾層結(jié)構(gòu)透波性能的影響，得到了理論最優(yōu)夾層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，可用于天線罩的寬頻透波要求。

3　結(jié)語

隨著復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)的一系列問題，泡沫夾層復(fù)合材料越來越受到國內(nèi)外航天航空研究人員的關(guān)注，尤其是是PMI泡沫夾層結(jié)構(gòu)。泡沫夾層復(fù)合材料是復(fù)合材料領(lǐng)域中一個重要的市場應(yīng)用，研究高性能的泡沫芯材和優(yōu)化結(jié)構(gòu)提高泡沫夾層復(fù)合材料的性能是拓展應(yīng)用市場的關(guān)鍵。

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The Research Progress of Foam Sandwich Structure Composite Material

XU Zhu

(Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute，Xi’an 710089，Shaanxi，China)

Foam sandwich composite is composed of panel (skin) and lightweight foam core，it is a layered structure composite material. Research status on the type of foam core sandwich structure，mechanical properties and electrical properties of the foam sandwich composites，and other aspects of foam sandwich composites in recent years were reviewed in this paper.

foam sandwich structure，composite materials，foam core material，mechanical properties

西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2016年度院級教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目

TB 33